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涡旋式压缩机作为一种新型节能高效的容积式压缩机,其运动部件主要由动、静涡旋盘组成,动涡旋盘在主轴的驱动下围绕静涡旋盘作公转平动,由动、静涡旋盘形成的月牙形封闭工作腔对内部气体进行压缩,主要有吸气、压缩和排气三个周期性工作过程。目前研究主要集中在等截面涡旋压缩机方面,当提高压缩比时,该类型压缩机会出现因增加型线圈数而导致体积过大、加工困难及涡旋齿变形大等问题,而变截面涡旋压缩机具有压缩比高、体积小等诸多优点,因此对变截面涡旋盘的深入研究对提高整机性能具有重要意义。 本文以变截面涡旋压缩机为主要研究对象,根据涡旋型线控制方程建立了以三段不同基圆渐开线为型线和以圆渐开线-高次曲线为型线的变截面涡旋盘模型及以圆渐开线为型线的等截面涡旋盘模型。采用物理建模和有限元分析结合的方法研究压缩机所受气体力的变化规律和压缩腔的流场特性,研究内容主要包括以下几个部分: (1)利用CAD、Pro/E等软件生成涡旋压缩机的压缩腔模型,根据热力学定律及能量守恒定律等分析计算了各压缩腔压力、容积等随主轴转角的变化规律。 (2)在热力学方面,重点研究了涡旋盘壁面与压缩工质之间的热传递特性及对应的数学模型。在动力特性方面,主要对压缩腔内部气体力(切向力、轴向力、径向力)建立了数学模型,并对涡旋盘的动平衡和防自转方面进行了深入分析。 (3)在计算流体动力学(CFD)的理论基础上,分析了 FLUENT软件在流场模拟方面运用的合理性,得到了流体温度、速度、压力等在压缩腔内部随曲轴转角的分布规律。 分析结果可知,在同等条件下变截面工作腔吸气容积可达117cm3,而等截面为56cm3,在主轴旋转一周的压缩范围内,变截面压缩腔内气体压力可达到0.9Mpa,而等截面为0.7Mpa,从而进一步说明变截面压缩腔具有压缩比高、吸气容积大等特点;通过对压缩腔流体进行数值模拟,可知压缩腔流场的分布受涡旋型线曲率的影响比较大,在同一主轴转角变化范围内,变截面压缩腔速度变化平缓,为深入研究涡旋压缩机型线和动平衡提供了参考。